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如果人類真能實現曲速技術,就可在宇宙中隨意穿梭?是福是禍?

Ashin 2023/01/17

曲速引擎的「出現」

不管閱讀這篇文章的人是否是星際迷航或者是宇宙科幻題材類電影的忠實粉絲, 曲速引擎或者曲速驅動這個詞或許很多人都不會陌生。

尤其對于那些愛看科幻電影的小伙伴來講更是如此,在眾多電影或者視覺表現上。

只需要艦長下令開啟曲速引擎,飛船便能以 超光速的效果穿梭在宇宙的任何角落。

曲速引擎和星際航行從上個世紀以來,至今仍是非常火熱的議論話題。

從本質上講,它體現了人類一顆求職探索,充滿好奇的心。

宇宙如此浩瀚,充滿眾多令人匪夷所思的東西,挖掘它們是我們與生俱來的本領。

作為曲速驅動最經典的代表,電影《星際迷航》已經為人們展示出在曲速引擎的驅動下,宇宙飛船會是一種什麼狀態。

但最早在1957年的小說《太空島》中,這個概念被首次提及。

小說《太空島》封面

它在概念上類似超空間,由曲速驅動將 時空扭曲形成一個連續體形狀的裝置。

裝備了這套裝置的飛船可以比光速高出多個量級的速度進行航行,注意,是光速的多個量級。

從表現形式上來看,這種差異將會十分夸張。即使是數十億光年的距離也能在短短數分鐘內完成航行。

不過需要與其他一些虛構的超光速技術注意的是, 曲率引擎這樣的經線驅動不允許兩點之間的瞬間行進和轉移。

它實際上涉及與該概念相關的可測量的時間流逝,與超空間相比,以曲速飛行的飛船會保持 與「正常空間」中的物體進行相互作用。

曲速驅動的太空船前的視圖

曲速引擎的厲害之處在于,它 規避了愛因斯坦提出的狹義相對論

與光子不同,光子沒有靜態質量。狹義相對論中指出靜態質量不為零的物質物體不可能以超過光速的速度進行傳播。

當物體越接近光速,質量也會越大,所需要的能量也會越大,最終兩者趨同于無窮,只能無限接近光速。

愈發接近光速可能會是這樣

然而在曲率引擎的幫助下, 空間被扭曲,時空仍然是完整存在的,飛船只需要在極短的空間距離中就能完成航行。

盡管作為一個科幻概念,但在現實生活中卻有一種最接近這種闡述的運動。

阿爾庫比爾驅動器,它是廣義相對論方程的理論解,或許是最接近曲速驅動的裝置。

阿爾庫比爾驅動器的二維可視化

曲速引擎的可能性

該驅動器是由墨西哥物理學家米格爾·阿爾庫比爾在1994年提出的一種改變空間幾何形狀的方法。

方法中指出,如果產生一種波,使得航天器前方的空間結構出現收縮,并 向其后方的空間進行膨脹

米格爾·阿爾庫比爾的演講

飛船將會在平坦空間區域中行駛,該路徑被稱為 經線氣泡

本質上來講,飛船不會在氣泡內移動,而是跟著區域本身的變化移動被帶走。

相對于變形時空的局部速度,它會呈現亞光速,但飛船的移動速度可以看作為超光速。

模擬出的經線氣泡

不過阿爾庫比爾驅動器仍然是一個 假設的概念從數學的角度來看,驅動器需要的能量密度為負。

為此它需要外來物質以比光速更快的速度進行傳播,理論上不排除外來物質的可能。

但是這需要產生和維持足夠的奇異物質來完成超光速旅行,并保證經線氣泡存在。

而在廣義相對論的背景下, 沒有奇異物質不可能構建曲速引擎

奇異物質可能存在于中子星內部

為了產生負能量,曲速引擎會使用大量的質量來制造粒子和反粒子之間的不平衡。

比如一個電子和反電子在曲速引擎中,其中一個粒子會被質量捕捉便會導致不平衡。

阿爾庫比爾驅動器便是用這種方式來利用 負能量制造時空泡泡。

換句話說,要想滿足阿爾庫比爾驅動器的能量至少需要整個木星質量的能量才能驅動。

這已經遠遠超過人類技術發展的可能,不過科學家在21世紀又提出了一種新的構想,NASA的科學家認為人類未來實現曲速引擎也不是不可能。

科學家構想的環形曲速驅動裝置

新的理論研究認為,曲速引擎的負能量可以通過 卡西米爾效應來解決,而人類的飛船也不一定需要造得非常大。

如果能夠通過卡西米爾效應制造出一個小的經線氣泡,那麼曲速引擎則有可能成為現實。

但不管怎麼講, 曲速引擎的形式的度量仍有很大困難,因為現在所有已知的曲速驅動時空理論都違反了各種能量條件。

即便是之前提到的卡西米爾效應也會帶來應力-能量張量,也會違反能量條件,比如在量子場論背景下的負質量。

正如我們前面說到,曲速引擎需要極大的質量才能驅動,如果想要遨游銀河系,其中所需的能量預計會比可觀測宇宙質量還要大幾個數量級。

卡西米爾效應的表現

另外還有科學家提出,在某些情況下,阿爾庫比爾驅動器只能像行駛在鐵路上一樣 需要行駛在既定路線中。

因為氣泡內的飛行員 與它的氣泡壁有因果關系,所以無法在氣泡外執行任何操作。

這也就導致經線氣泡不能用于第一次前往非常遠的恒星,如果是25光年的距離至少需要25年以上的時間才能完成第一次路徑裝設。

但人類實現了這一項技術,即可穿梭在宇宙中的任何角落,年齡和時間再也不是限制人類向宇宙發展的限制。

不過任何一項科學技術都有好有壞,即便是曲速引擎也一樣,搞不好曲速引擎會帶來禍患

改寫因果?

從實際應用來講,它確實能夠幫助人類進行超長距離的星際旅行,殖民、星際開發、宇宙建設都將成為可能。

但與之而來的可能是 因果違反和半經典不穩定性

物理學家艾倫·埃弗雷特通過計算表明,經線氣泡可用于廣義相對論中創建閉合的類時曲線,這意味著該理論預測它們可用于向后的時間旅行。

閉合類時曲線(CTC)中,它是時空中物質粒子的閉合,并返回至起點。

廣義相對論的方程解在完成后,人們發現了CTC的可能,因而導致祖父悖論這一情況發生。

CTC的數學表現

盡管 諾維科夫自洽原則表明這種悖論可以避免,但是仍有物理學家推測,出現在祖父悖論解決方案中的CTC可能會被未來的量子引力理論給排出,該理論會取代祖父悖論。

霍金後來將這一想法歸為 年表保護猜想,除了微觀尺度之外的所有時間旅行在超出標準廣義相對論的物理定律下都會被阻止。

即使微觀層面的時間旅行在理論上是可能的,但在CTC表示中,每條CTC都會穿過一個事件視界,這會阻止觀察者檢測因果違反。

物理中的因果違反

而CTC的特點在于它會 開啟一條更早期無關的世界線的可能性,因此會存在無法追溯島更早起因的事件。

通常來講,在 物理中的因果關系要求每個時空中的每個事件在每個靜止幀中都有其原因。

事件原則在決定論中至關重要,用廣義相對論來解釋,決定論在類空間柯西表面上陳述了對宇宙的完整認識,由此能夠計算剩余時空的完整狀態。

因為因果關系被打破,一個事件結果可以和結果同時發生

舉一個簡單的例子,如果我們有一顆比光速還快的子彈,槍聲會成為子彈發射的事件,子彈擊中目標則是另一個事件。

還未開槍,卻已經出現彈孔,因果被改寫

現在這兩個事件之間的空間距離除以時間差卻大于光速,這意味著 觀察者能夠以相反的順序看到事件展開。

也就是說,槍還沒響,目標就被擊中了。

因果關系被破壞使得人們無法正確認知一件事將會是很可怕的, 從任何角度來看,處于因果關聯的事件總是會保證相同的順序發生, 原因必須先于結果

或許曲率引擎能夠造福人類,但在宇宙中的某種力量下,人類可能永遠無法突破這種限制。

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